利用淨水污泥灰與廢玻璃水熱合成鋁矽質中孔徑MCM-41之特性研究

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環境工程研究所

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利用淨水污泥灰與廢玻璃水熱合成鋁矽質中孔徑MCM-41之特性研究
(Hydrothermal synthesis of aluminosilicate mesoporous MCM-41 from water purification sludge ash and waste glass)

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摘要(中)

本研究利用淨水污泥灰與廢玻璃當中之矽、鋁源作為合成中孔徑Al-MCM-41之材料，首先將淨水污泥灰及廢玻璃混合後，以鹼熔法萃取矽、鋁元素，並使用三種不同液固比(L/S=3、7、15)之前趨液合成材料，並探討不同矽鋁比對於Al-MCM-41結構的物化特性影響，且與偏矽酸鈉合成之MCM-41作比較，最後萃取SiO2後之剩餘灰渣合成微孔沸石吸附劑，以達到全資源化之效果。而研究結果方面，首先將淨水污泥灰與廢玻璃以1：1之比例混合，此時所得到之矽鋁比範圍為10至30間，其值對於後續實驗將不會有過低造成合成不易及過高影響應用性的問題發生。之後再將混合後原物料利用鹼熔進行最大SiO2萃取試驗，以得到最大再利用率，而鹼熔最佳條件為氫氧化鈉比混合灰為1.5 、鹼熔溫度為550 ℃之配比下，可將石英相(Quartz,SiO2)完全轉換成矽酸鹽類及矽鋁酸鹽類，且SiO2最大萃取量為427 mg/g，之後將鹼熔後產物加入三種不同液固比之去離子水，以得到前趨液進行合成，而前趨液中元素主要為Si、Al、Fe及Na，其中又以鋁元素對合成後MCM-41結構所造成的影響最大，而當液固比為3時，矽鋁比為13.5最低，而在液固比為15時，矽鋁比為32.6最高。將三種不同矽鋁比之前趨液以不同的水熱溫度進行合成的試驗中，以105 ℃所合成MCM-41材料XRD繞射峰皆為最強，結構也最為完整。而該合成溫度下的材料結構特性方面，以液固比為15，前趨液矽鋁比為32.6時，其比表面積為860 m2/g、孔體積為1.04 cm3/g、孔壁厚度1.15 nm為最高，而隨液固比及前趨液矽鋁比降低，比表面積、孔體積及孔壁厚度則下降，顯示高矽鋁比可得到性質較優良之分子篩材料。由27Al NMR圖譜可發現在54 ppm時皆有波峰產生，表示鋁原子為鋁氧四面體，證實鋁原子有進入到MCM-41骨架中。在水熱穩定度試驗中，以較高矽鋁比材料，表現出良好的水熱穩定性。亞甲基藍去除率試驗中，在初始濃度為0.28 mmole/L及接觸達平衡時，以矽鋁比最低之Al-MCM-41其吸附量為0.270 mmole/g；去除效率為96.5 %最大。最後剩餘灰渣，在水熱反應溫度為200 ℃時，可合成出鈣霞石(Cancrinite)微孔沸石，證實具有二次回收之潛力。

摘要(英)

This study investigated the feasibility of synthesizing mesoporous molecular sieve, MCM-41, by alkali fusion and hydrothermal processes, using water purification sludge ash (WPSA) and waste glass (WG) as starting Si and Al sources. Aluminum from the WPSA was incorporated into the resultant Al-MCM41, which contributed to the strength and the hydrothermal stability of the MCM-41 structure, and also enhanced the adsorption of organic dye (i.e., methyl blue), as compared to MCM-41 synthesized from pure sodium metasilicate. The proper conditions for the mix ratio of WPSA and WG, alkali fusion/extraction for the preparation of precursor solution, and the hydrothermal process were studied, the resultant Al-MCM-41s were characterized. The residues from the alkali fusion/extraction process were also converted into zeolite (Cancrinite) for a total retrieval.
The results indicated WPSA containing Quartz and Illite, was less extractable for Si as compared to the WG, containing amorphous silicates. Accordingly, the increase in WG portion of the starting mixture increased the extracted quantity of Si. It is noted that the proper mix ratio is about 1:1 that may be expected to generate a precursor solution with a suitable range of Si/Al for the synthesis of Al-MCM-41. All the starting materials were tested with TCLP and showed they are safe below the regulatory thresholds. The Al-MCM-41 hydrothermally synthesized with 1:1 mix ratio of the starting materials show that the surface area (860 m2/g), pore diameter (3.16 nm), pore volume (0.85 cm3/g), d100 (3.73 nm), a0(4.31 nm) and wall thickness(1.15 nm) are close to that of pure MCM-41. However, the hydrothermal stability and adsorption of organic dye (methyl blue) outperform that of the pure MCM-41. Furthermore, the impurity such as Na2O, K2O, and Fe2O3, derived from the starting wastes are less or close to 1%, and have no significant effects on the on the synthesis and performance of the Al-MCM-41. In addition, the residues resulted from the alkali fusion/extraction was successfully synthesized into zeolites (Cancrinite and the other unnamed) for a secondary retrieval/recycling purpose, suggesting a total retrieval/recycling of the water purification sludge and waste glass.

關鍵字(中)

★ 鈣霞石
★ 水熱穩定性
★ MCM-41
★ 淨水污泥灰
★ 廢玻璃

關鍵字(英)

★ Cancrinite
★ Hydrothermal stability
★ Water Purification Sludge ash
★ MCM-41
★ Waste glass

論文目次

中文摘要 i
英文摘要 iii
誌謝 v
目錄 vi
圖目錄 x
表目錄 xiii
第一章前言 1
1-1 研究緣起與目的 1
1-2 研究內容 2
第二章文獻回顧 3
2-1 淨水污泥與廢玻璃產出與處理處置方式 3
2-1-1 淨水污泥與廢玻璃來源及產量 3
2-1-2 淨水污泥與廢玻璃之物化特性 8
2-1-3 現階段淨水污泥及廢玻璃之處理處置及再利用方式 10
2-2 中孔徑分子篩 18
2-2-1 沸石分子篩發展背景 18
2-2-2 界面活性劑種類與特性 20
2-2-3 矽酸鹽類與界面活性劑之交互作用 24
2-2-4 中孔徑分子篩之合成機制 27
2-3 中孔徑分子篩特性與應用 31
2-3-1 中孔洞MCM-41分子篩之特性 31
2-3-2 Al-MCM-41之特性 32
2-3-3 中孔洞MCM-41分子篩之應用 34
2-4 廢棄物合成MCM-41之相關研究 35
2-5 吸附理論 39
2-5-1 吸附現象 39
2-5-2 物理吸附及化學吸附 40
2-6 沸石種類與陽離子交換容量之關係 42
第三章研究方法 43
3-1 研究架構 43
3-2 實驗材料與設備 45
3-2-1 實驗材料 45
3-2-2 實驗藥品 46
3-3 實驗設計 47
3-3-1 原物料前處理 47
3-3-2 淨水污泥灰混合廢玻璃合成MCM-41試驗 49
3-3-3 MCM-41水熱穩定性試驗 59
3-3-4 MCM-41吸附亞甲基藍試驗 60
3-3-5 剩餘灰渣二次回收試驗 61
3-4 實驗條件配置 63
3-4-1 原物料基本特性分析 63
3-4-2 淨水污泥灰混合廢玻璃合成MCM-41之實驗配置 63
3-4-3 MCM-41水熱穩定性試驗之實驗配置 66
3-4-4 不同矽鋁比MCM-41對於亞甲基藍去除率實驗配置 66
3-4-5 剩餘灰渣二次回收試驗之實驗配置 67
3-5 研究設備、儀器與分析方法 68
3-5-1 研究設備 68
3-5-2 研究儀器 70
3-5-3 分析方法 72
第四章結果與討論 86
4-1 材料基本性質分析 86
4-1-1 淨水污泥之物化特性 86
4-1-2 廢玻璃之物化特性 90
4-2 淨水污泥灰混合廢玻璃試驗 94
4-2-1 不同混合配比之化學組成分析 94
4-2-2 不同混合配比之鹼熔結晶物種分析 95
4-2-3 不同混合配比之矽鋁濃度及矽鋁比之影響 97
4-2-4 小結 98
4-3 不同鹼熔條件萃取矽源之結果分析 101
4-3-1 不同鹼熔條件之結晶物種分析 101
4-3-2 不同鹼熔條件之濾液矽溶出量 103
4-4 淨水污泥灰混合廢玻璃合成MCM-41之物化特性 106
4-4-1 不同水熱溫度合成MCM-41之結晶相分析 106
4-4-2 不同液固比合成MCM-41之結晶相分析 108
4-4-3 MCM-41之化學組成分析 110
4-4-4 MCM-41之結構特性分析 111
4-4-5 MCM-41之FTIR鍵結分析 115
4-4-6 MCM-41之NMR分析 118
4-4-7 MCM-41之TG-DTA分析 120
4-4-8 MCM-41之微結構分析 122
4-5 MCM-41之水熱穩定性測試 125
4-5-1 水熱穩定性之晶相分析 125
4-5-2 水熱穩定性之結構特性分析 126
4-6 MCM-41吸附試驗 128
4-6-1 不同矽鋁比MCM-41對於亞甲基藍去除率探討 128
4-7 剩餘灰渣合成微孔沸石吸附劑潛力評估 131
4-7-1 剩餘灰渣之基本特性分析 131
4-7-2 微孔沸石之物種分析 133
4-7-3 微孔沸石之陽離子交換能力 135
第五章結論與建議 137
5-1 結論 137
5-2 建議 141
參考文獻 142

參考文獻

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指導教授

王鯤生(Kuen-sheng Wang)

審核日期

2012-7-19

推文